XEN-3880-RW皮拉尼真空計(jì)傳感器

XEN-3880-RW皮拉尼真空計(jì)傳感器
XEN-3880對(duì)薄膜中心的熱電堆的熱接點(diǎn)和芯片框架上的冷接點(diǎn)之間的熱阻進(jìn)行測(cè)量。這是通過(guò)使用加熱器電阻器加熱膜的中心來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由此產(chǎn)生的中心溫度升高通過(guò)熱電堆來(lái)測(cè)量。實(shí)際溫度升高取決于膜中心和環(huán)境之間的有效熱阻，這受到環(huán)境氣體熱阻的影響。XEN-3880-RW安裝在6引腳TO-5上金屬基座上。

XEN-3880-RW皮拉尼真空計(jì)傳感器技術(shù)參數(shù)

@環(huán)境溫度22°C和1 V電源
尺寸：敏感元件尺寸（mm3)：2.50 x 3.33 x 0.3
尺寸：TO-5晶體管基座（mm2)：9Фx 6
針腳長(zhǎng)度（mm）：13.5
TO-5重量（g）：0.71
TO-5+帶篩網(wǎng)金屬帽+過(guò)濾器的重量（g）：1.05
輸出
在<1 mPa（V/W）的真空中：130
在100 kPa（V/W）的空氣中：30
在10 MPa（V/W）的空氣中：26
在氦氣中，100 kPa（V/W）：7
在氦氣中，10 MPa（V/W）：6.9
時(shí)間常數(shù)
空氣中（ms）：9
在真空中（ms）：36
穩(wěn)定性
短期，1天（ppm）：1
長(zhǎng)期，1年（ppm）：100
熱阻
膜（kK/W）：100
膜+空氣（kK/W）23
Max.加熱電壓
空氣中（V）：2.5
真空（V）1

MEMS Pirani皮拉尼真空計(jì)傳感器、儀表或傳感器是一種用于通過(guò)測(cè)量沉積在懸掛的微機(jī)械隔膜上的加熱電阻元件的壓力相關(guān)熱損失來(lái)測(cè)量真空氣體壓力的裝置。90年時(shí)間內(nèi)MEMS Pirani真空計(jì)傳感器可以在從測(cè)量大氣壓到1.0E-6毫巴（7.5E-7托）的真空氣體壓力。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器可以通過(guò)傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造技術(shù)制成，例如使用氣相沉積工藝的材料的光刻、蝕刻、退火和沉積。硅可以用作MEMS傳感器器件的基底晶片材料，并且也是MEMS Pirani真空計(jì)傳感器的優(yōu)選材料。Pirani真空計(jì)工作原理分為兩種，一種是熱電偶式，另一種是惠斯通電橋式。

MEMS皮拉尼測(cè)量?jī)x和傳感器通常也稱為微型皮拉尼測(cè)量器或傳感器。丹麥技術(shù)公司W(wǎng)enzel Instruments于1993年推出了一款基于MEMS Pirani傳感器技術(shù)的商用真空計(jì)。2003年，Wenzel儀器公司被MKS儀器股份有限公司收購(gòu)，MEMS Pirani真空計(jì)產(chǎn)品線繼續(xù)以MKS品牌經(jīng)營(yíng)。MEMS Pirani測(cè)量?jī)x和傳感器已經(jīng)使用了幾十年，并在半導(dǎo)體行業(yè)、分析設(shè)備和涂層行業(yè)的許多不同應(yīng)用中證明了其優(yōu)勢(shì)。
1906年由Marcello S.Pirani發(fā)明的傳統(tǒng)Pirani測(cè)量?jī)x由懸掛在管中的薄電阻金屬絲組成。電線Pirani傳感器在平衡惠斯通電橋電路中操作，其中電橋電路中的一個(gè)支路是電阻傳感器電線，而電橋電路中其他支路用作溫度補(bǔ)償和平衡。

圖1展示了MEMS Pirani傳感器的橫截面。MEMS Pirani傳感器基于沉積在超薄隔膜（5）上的電阻元件，該超薄隔膜懸浮在測(cè)量氣體壓力的真空中。隔膜是機(jī)械固定的，不會(huì)隨著真空氣體壓力的變化而彎曲或移動(dòng)。電阻元件（1）由諸如鎳的具有高溫度系數(shù)的材料制成。

MEMS Pirani真空傳感器橫截面：當(dāng)電流流過(guò)電阻元件時(shí)，熱量通過(guò)焦耳加熱產(chǎn)生，焦耳加熱通常也稱為電阻加熱或歐姆加熱。沉積在電阻傳感器元件中的功率必須足以加熱傳感器元件，以確保對(duì)周圍氣體的有效發(fā)射率，用于通過(guò)熱損失測(cè)量壓力。與沉積在有線Pirani傳感器元件中的功率相比，操作MEMS Pirani電阻元件所需的功率顯著較低，通常在微瓦范圍內(nèi)。在電阻傳感器元件上方形成空腔（3），該空腔用作散熱器，以在氣體分子的平均自由程變得小于燈絲和散熱器之間的距離的更高壓力下增加測(cè)量靈敏度。由于傳感器的幾何形狀，氣體僅通過(guò)擴(kuò)散而不是通過(guò)流動(dòng)傳遞到空腔。電阻傳感器元件由氮化硅鈍化層（4）保護(hù)。
MEMS Pirani熱膜片：如圖2所示，次級(jí)電阻元件（7）可以沉積在MEMS傳感器結(jié)構(gòu)上，并進(jìn)行操作以測(cè)量與氣體壓力無(wú)關(guān)的環(huán)境溫度。溫度測(cè)量用于補(bǔ)償壓力和溫度相關(guān)的燈絲（6）。 MEMS Pirani皮拉尼真空傳感器的優(yōu)勢(shì)：傳統(tǒng)金屬絲皮拉尼真空計(jì)中使用的超薄金屬絲對(duì)真空泵送系統(tǒng)可能產(chǎn)生的振動(dòng)具有機(jī)械敏感性，重力沖擊可能導(dǎo)致金屬絲斷裂。MEMS Pirani皮拉尼傳感器的小質(zhì)量使其對(duì)幾百Gs的連續(xù)振動(dòng)和機(jī)械沖擊具有極強(qiáng)的魯棒性。與通過(guò)手工制作將超薄導(dǎo)線懸掛在管中相比，MEMS傳感器器件的制造過(guò)程使用定義明確且可控的半導(dǎo)體工藝具有高度可重復(fù)性。
使用由電阻材料制成的次級(jí)電阻元件，該電阻材料具有與熱損失電阻元件相同的溫度系數(shù)并且在兩個(gè)電阻元件之間具有極低的溫度梯度，使得能夠?qū)y(cè)量漂移進(jìn)行溫度補(bǔ)償，該溫度補(bǔ)償達(dá)到用線Pirani設(shè)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的水平。對(duì)流不會(huì)發(fā)生在測(cè)量腔內(nèi)，因此MEMS Pirani可以水平或垂直安裝，而不會(huì)影響測(cè)量性能或校準(zhǔn)。

MEMS Pirani真空計(jì)傳感器的權(quán)衡：傳統(tǒng)的MEMS Pirani由硅材料制成，因此與半導(dǎo)體工業(yè)中常用的腐蝕性蝕刻工藝氣體（例如氫氟酸）不兼容。然而，新近引入了新的先進(jìn)保形涂層技術(shù)，使其能夠用于積極的真空應(yīng)用。涂層起到有效阻隔侵HF等腐蝕性氣體的作用。材料在MEMS傳感器膜片上的沉積和冷凝可能有助于校準(zhǔn)的偏移。然而，在真空傳感器真空法蘭中集成特殊擋板設(shè)計(jì)已被證明是阻止微小顆粒到達(dá)并損壞Pirani傳感器元件的有效方法。這種微小顆粒經(jīng)常出現(xiàn)在物理蒸汽處理應(yīng)用中，也稱為PVD應(yīng)用或工業(yè)爐熱處理。

皮拉尼真空壓力計(jì)通過(guò)測(cè)量熱損失間接測(cè)量壓力，因此測(cè)量取決于氣體的導(dǎo)熱特性。如果用戶改變傳感器的補(bǔ)償設(shè)置，現(xiàn)代Pirani真空傳感器可以用普通氣體的氣體校正因子進(jìn)行數(shù)學(xué)補(bǔ)償。

MEMS皮拉尼真空測(cè)量技術(shù)的變革:MEMS Pirani可以在平衡惠斯通電橋中操作；然而，橋接電路中的單個(gè)元件與多個(gè)溫度系數(shù)因素有關(guān)，這些因素共同導(dǎo)致測(cè)量漂移、不穩(wěn)定性和噪聲。因此，惠斯通電橋電路不是用于實(shí)現(xiàn)高性能的實(shí)用設(shè)計(jì)，并且所使用的傳統(tǒng)電路已經(jīng)被先進(jìn)的信號(hào)和數(shù)據(jù)處理所取代。MEMS Pirani真空計(jì)MEMS Pirani真空計(jì)技術(shù)的時(shí)新展示了一種新的技術(shù)，該技術(shù)將新穎的MEMS傳感器設(shè)計(jì)與操作MEMS Pirany真空傳感器的新方法相結(jié)合。荷蘭XENSOR INTEGRATON開(kāi)發(fā)的技術(shù)采用先進(jìn)的精密數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，消除了傳統(tǒng)的皮拉尼-惠斯通電橋電路。與傳統(tǒng)的Pirani真空計(jì)傳感器操作相比，溫度補(bǔ)償和熱損失測(cè)量轉(zhuǎn)換為校準(zhǔn)真空氣體壓力讀數(shù)的數(shù)字方法已被證明可以提高測(cè)量性能。
MEMS Pirani真空計(jì)測(cè)量?jī)x應(yīng)用：一般來(lái)說(shuō)，在大多數(shù)真空應(yīng)用中，MEMS Pirani真空計(jì)測(cè)量?jī)x可以是傳統(tǒng)金屬絲Pirani真空度測(cè)試儀的性能升級(jí)，并且具有可選的保形傳感器涂層，也適用于測(cè)量?jī)x暴露于腐蝕性氣體的應(yīng)用。然而，具有集成真空系統(tǒng)的分析設(shè)備，如質(zhì)譜儀和掃描電子顯微鏡，使用MEMS Pirani測(cè)量?jī)x具有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。MEMS Pirani真空傳感器的很寬測(cè)量范圍可以在某些類型的分析設(shè)備中消除對(duì)高真空計(jì)（如冷陰極或熱陰極電離計(jì)）的需求。在雜散磁場(chǎng)、離子產(chǎn)生和定期維護(hù)通常不可取的分析應(yīng)用中，應(yīng)避免使用ION電離式真空計(jì)。此外，ION電離真空計(jì)與皮拉尼計(jì)相比是昂貴的。

MEMS Pirani的小尺寸使其易于在空間狹小的設(shè)備中進(jìn)行系統(tǒng)集成。MEMS Pirani熱電阻絲工作所需的功率非常低，這使其成為便攜式電池供電設(shè)備的明智選擇。

熱損失Pirani真空計(jì)是真空行業(yè)中常用的真空計(jì)，它因其動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍廣、堅(jiān)固耐用和成本低而廣受歡迎。MEMS Pirani傳感器是機(jī)械堅(jiān)固的固體結(jié)構(gòu)，因此其靈敏度和零點(diǎn)漂移的趨勢(shì)較小。真空行業(yè)一直致力于擴(kuò)大真空計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍，以很大限度地降低真空系統(tǒng)的復(fù)雜性和真空計(jì)的成本。

MEMS Pirani技術(shù)已經(jīng)在許多類型的真空應(yīng)用中使用了20多年，并被證明是可靠和穩(wěn)健的。市場(chǎng)上沒(méi)有一種真空計(jì)類型是所有應(yīng)用的正確選擇，MEMS Pirani真空計(jì)也不適用于所有應(yīng)用。然而，在許多工業(yè)和科學(xué)真空應(yīng)用中，下一代MEMS Pirani真空計(jì)傳感器將擴(kuò)展到幾個(gè)應(yīng)用，因?yàn)闇y(cè)量范圍已經(jīng)擴(kuò)展到以冷陰極和熱陰極電離真空計(jì)為主的范圍。